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문제 정의
- 본 연구에서 빈도별 저수지 유입량을 산정하기 위하여 확률강우 분석을 수행하였다. 시 강우자료는 황룡강 유역 주변 관측소인 광주 기상청 및 정읍 기상청에서 제공하는 자료를 사용하였다.
- 본 연구에서는 빈도별 홍수량 유입에 따른 둑 높이기 저수지 방류량을 산정하였고, 저수지 홍수추적 결과를 바탕으로 저수지군 방류량으로 인한 황룡강 하류에 대한 홍수 영향을 분석하였다. 본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 현재 시점에서 홍수기시 저수지의 증고 전 · 후의 방류량을 모의하기 위해 저수지 증고 높이 및 수위별 저류량 등을 고려하여 목표수위를 설정하였으며 제한수위는 둑 높이기 전과 동일하게 적용하였다.
- 본 연구에서는 황룡강 유역 내 둑 높이기 사업 대상 저수지인 장성, 수양, 유탕, 왕동 저수지를 대상으로 빈도별 저수지 홍수 유입량을 산정하고 저수지 모의 운영 조작 프로그램인 HEC-5프로그램을 이용하여 방류량 및 월류량을 모의하며, 모의된 방류량 및 월류량과 황룡강 구간 하천 설계홍수량의 비교를 통해 홍수기시 황룡강 유역 내 둑 높이기 저수지군의 하류하천에 대한 영향을 평가하고자 한다.
- 2 %에 이르고 있다 (KRC, 2010). 이에 농업용 저수지 둑 높이기 사업은 기존 저수지를 대상으로 기존 제방 덧쌓기 등 둑 높이기와여수로 확장 및 수문 설치 등을 통해 노후화된 농업용 저수지를 개보수하고 둑 높이기를 통해 확보되는 추가 저수량을 갈수기에 집중 방류하여 지류 및 본류의 유황을 개선하는데 목적이 있다 (Cho, 2009). 또한 농업용 저수지 둑 높이기 사업에 의해 대상 저수지 113개소 (2012년 현재)에 약 2.
제안 방법
- Huff (1967)는 미국 일리노이주의 강우기록으로부터 강우량이 시간적 분포를 나타내는 무차원 시간분포곡선을 제시하였다. 강우의 누가곡선을 이용하여 전 지속기간을 4등분 하였을 때 각 분류된 구간 우량의 최대 분위가 어느 부분에서 나타나는지를 조사하였다. 즉, 강우지속시간을 4등분하였을 때 강우초기에 해당하는 처음 1/4구간을 제 1구간 호우 (first-quartile storm), 다음 2/4구간을 제 2구간 호우 (second-quartile storm), 다음 3/4구간 및 마지막 구간에 있을 경우 각각 제 3구간 호우 (third-quartile storm), 제 4 구간 호우 (fourth-quartile storm)으로 정의하였다.
- FARD2006 프로그램은 모멘트법, 최우도법, 확률가중모멘트법에 따라 다양한 분포형의 추정이 가능하며 각각의 추정 방법에 따른 분포형의 다양한 적합도 검정 결과를 쉽게 확인 할 수 있고 사용이 편리하여 강우빈도해석 시 많이 이용되고 있다. 광주 기상관측소의 총 52개년의 자료와 정읍 기상관측소의 총 39개년의 자료에 대하여 60분, 120분, 180분, 240분, 360분, 540분, 720분, 900분, 1080분, 1440분 등 10개 지속시간에 대한 연 최대 강우량을 산정한 후 각 분포형에 대한 적합도 검정을 수행하였다. 본 연구에서는 분포형 추정 방법에 따른 Normal분포, GEV분포, Gumbel 분포 등의 다양한 분포형에 대하여 적합도를 검정하고 지속시간 별로 20년, 30년, 50년, 80년, 100년, 200년, 500년 등 7개 빈도에 대한 확률강우량을 산정하였다.
- 황룡강 종점 설계 홍수량은 200년 빈도로 설계되어 있고, 그 보다 상류에 위치한 지점 설계홍수량은 100년 빈도로 설계되어 있다. 따라서 100년, 200년 빈도의 강우사상에 대하여 저수지 상류유역 홍수량을 산정하고 저수지 방류량을 고려하여 하류하천 영향평가를 수행하였다.
- 광주 기상관측소의 총 52개년의 자료와 정읍 기상관측소의 총 39개년의 자료에 대하여 60분, 120분, 180분, 240분, 360분, 540분, 720분, 900분, 1080분, 1440분 등 10개 지속시간에 대한 연 최대 강우량을 산정한 후 각 분포형에 대한 적합도 검정을 수행하였다. 본 연구에서는 분포형 추정 방법에 따른 Normal분포, GEV분포, Gumbel 분포 등의 다양한 분포형에 대하여 적합도를 검정하고 지속시간 별로 20년, 30년, 50년, 80년, 100년, 200년, 500년 등 7개 빈도에 대한 확률강우량을 산정하였다.
- Table 7은 유출곡선번호 CN을 산정한 결과를 나타내고 있다. 본 연구에서는 홍수기시 선행강우 조건 등을 고려하여 CN (Ⅲ) 값을 이용하였다. 불투수율이 0.
- 확률강우량을 산정하기 위하여 Table 2와 같이 광주기상청의 경우 1960～2011년 (총52년) 기간의 자료와 정읍 기상청의 경우 1973～2011년 (총 39년) 기간의 자료를 사용하였다. 장성저수지 상류 유역의 경우 광주 기상청과 정읍 기상청의 Thiessen 경계에 위치하며 확률강우량을 산정하기 위해 두 관측소의 Thiessen 가중치를 고려하였다. 장성저수지 상류 유역에 대한 광주 및 정읍 기상관측소의 Thiessen 가중치는 각각 0.
- 시간별 유입량 자료는 HEC-HMS 모형을이용하여 강우 빈도별로 산정 된 홍수량을 이용하였다. 저수지 수위별 방류량은 둑 높이기 사업 이후 수문이 설치되는 장성저수지를 제외한 왕동저수지, 유탕저수지, 수양저수지의 경우에 물넘이를 통한 월류량을 산정하여 수위별 방류량을 산정하였다. 수문이 설치되는 장성저수지는 방류량 산정시 Auto ROM (Automatic Reservoir Operation Method) 방식을 적용하였다.
- 강우의 누가곡선을 이용하여 전 지속기간을 4등분 하였을 때 각 분류된 구간 우량의 최대 분위가 어느 부분에서 나타나는지를 조사하였다. 즉, 강우지속시간을 4등분하였을 때 강우초기에 해당하는 처음 1/4구간을 제 1구간 호우 (first-quartile storm), 다음 2/4구간을 제 2구간 호우 (second-quartile storm), 다음 3/4구간 및 마지막 구간에 있을 경우 각각 제 3구간 호우 (third-quartile storm), 제 4 구간 호우 (fourth-quartile storm)으로 정의하였다. 이와 같이 4개 그룹으로 분류된 강우를 시간적으로 무차원화 시키기 위하여 개개 강우의 누가지속 시간과 이에 따른 강우량을 각각 백분율로 표시하고 이를 나타내면 식 (2)와 (3)과 같다 (Koo, 2001).
- 홍수기시 저수지군을 통한 방류량으로 인한 하류하천에 대한 영향을 평가하기 위해 저수지군에서의 방류량과 하류하천의 설계홍수량을 비교하였다 (Fig. 4). 본 연구에서 사용한 하천 설계 홍수량 자료는 황룡강의 종점 설계홍수량이다.
대상 데이터
- 4). 본 연구에서 사용한 하천 설계 홍수량 자료는 황룡강의 종점 설계홍수량이다. 황룡강 종점 설계 홍수량은 200년 빈도로 설계되어 있고, 그 보다 상류에 위치한 지점 설계홍수량은 100년 빈도로 설계되어 있다.
- 본 연구의 대상유역은 황룡강유역으로 영산강 권역의 영산강수계에 속하며, 영산강의 제 1지류이다. 국가하천, 지방 1급하천, 지방 2급하천으로 나누어져 있으며, 유로연장 · 하천연장 · 유역면 적은 각각 국가하천이 52.
- 본 연구에서 빈도별 저수지 유입량을 산정하기 위하여 확률강우 분석을 수행하였다. 시 강우자료는 황룡강 유역 주변 관측소인 광주 기상청 및 정읍 기상청에서 제공하는 자료를 사용하였다. 장성저수지의 상류 유역 홍수량 산정에 필요한 자료는 광주 기상청과 정읍 기상청자료를 이용하였으며, 나머지 둑 높이기 저수지인 왕동저수지, 유탕저수지, 수양저수지의 상류 유역 홍수량 산정에는 광주 기상청의 강우자료를 사용하였다.
- 유출곡선번호 (CN)을 산정하기 위한 토양도는 국립농업과학원의 정밀토양도 (1/25,000)를 이용하였으며, 토지이용 자료는 환경부에서 제공하는 2007년 중분류 토지피복도를 이용하였다. Fig.
- 시 강우자료는 황룡강 유역 주변 관측소인 광주 기상청 및 정읍 기상청에서 제공하는 자료를 사용하였다. 장성저수지의 상류 유역 홍수량 산정에 필요한 자료는 광주 기상청과 정읍 기상청자료를 이용하였으며, 나머지 둑 높이기 저수지인 왕동저수지, 유탕저수지, 수양저수지의 상류 유역 홍수량 산정에는 광주 기상청의 강우자료를 사용하였다.
- 확률강우량을 산정하기 위하여 Table 2와 같이 광주기상청의 경우 1960～2011년 (총52년) 기간의 자료와 정읍 기상청의 경우 1973～2011년 (총 39년) 기간의 자료를 사용하였다. 장성저수지 상류 유역의 경우 광주 기상청과 정읍 기상청의 Thiessen 경계에 위치하며 확률강우량을 산정하기 위해 두 관측소의 Thiessen 가중치를 고려하였다.
이론/모형
- Coeff. (PPCC) 등의 검정을 수행하였으며, 매개변수 추정 방법은 확률가중모멘트법을 이용하였고, 최적 분포 형은 Gumbel 분포형을 선정하였다.
- HEC-HMS 모형은 미 육군공병단에서 개발되었으며 링크-노드 방식의 집중형 강우-유출 모형이다. HEC-HMS 모형은 DOS 기반의 HEC-1 (Hydrologic Engineering Center-1) 모형을 개선, 발전시킨 모델로 연속모의 기능을 추가하였다 (USACE, 2010). 현재 HEC-GeoHMS (Hydrologic Engineering CenterGeospatial Hydrologic Modeling Extension) 모형과 GIS (Geographic Information System) 툴과의 연계를 통해 지형 특성자료의 추출이 가능하다.
- 각각의 저수지 상류 유역에 대한 유역특성자료는 Table 1과 같으며, 홍수량 산정 시 홍수유출시간을 나타내는 도달시간은 둑높이기 사업 검토 보고서에서 검토한 바 있는 California Culvert Practice 공식 (1942)을 적용하였다. California Culvert Practice 공식은 식 (1)과 같으며, 자연하천유역과 산지 소유역에 주로 적용한다.
- 따라서 홍수량 산정은 홍수량 산정 결과의 적절성과 황룡강 유역 내 저수지 상류유역의 자연유역 특성을 고려하여 Clark 단위도법을 이용하였다. 강우 손실량 추정에는 NRCS curve number 방법을 이용하였다.
- 이 중 Clark 단위도 모형은 강우로 인한 유수의 전이 (translation) 뿐만 아니라 유역의 저류효과도 고려하므로 자연유역에 대한 적용이 적합하다 (Sung, 2004). 따라서 홍수량 산정은 홍수량 산정 결과의 적절성과 황룡강 유역 내 저수지 상류유역의 자연유역 특성을 고려하여 Clark 단위도법을 이용하였다. 강우 손실량 추정에는 NRCS curve number 방법을 이용하였다.
- 본 연구에서는 다목적저수지군 시스템의 분석용 프로그램인 HEC-5 모형을 이용하여 저수지 홍수추적을 수행하였다.
- 빈도별 홍수량 산정을 위하여 유역 치수계획 및 평가 시 많이 사용되고 있는 수문해석 모형인 HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center – Hydrologic Modeling System) 모형을 이용하였다.
- 산정한 확률강우량에 대한 시간적 분포를 고려하기 위하여 실무에서 많이 사용되고 있는 Huff (1967)법을 이용하였다. Huff (1967)는 미국 일리노이주의 강우기록으로부터 강우량이 시간적 분포를 나타내는 무차원 시간분포곡선을 제시하였다.
- 저수지 수위별 방류량은 둑 높이기 사업 이후 수문이 설치되는 장성저수지를 제외한 왕동저수지, 유탕저수지, 수양저수지의 경우에 물넘이를 통한 월류량을 산정하여 수위별 방류량을 산정하였다. 수문이 설치되는 장성저수지는 방류량 산정시 Auto ROM (Automatic Reservoir Operation Method) 방식을 적용하였다. Auto ROM 방식의 운영은 홍수시 제한수위까지는 저수지 유입량을 방류 없이 저류시키다가 제한수위부터는 수위가 만수위를 넘지 않도록 유입량을 하류로 방류하면서 홍수 말기에는 만수위를 유지하도록 하는 것이다.
- HEC-5 모형의 입력자료에는 시간별 유입량, 저수지 수위별 방류량, 저수지 수위별 저류량, 저수지 목표수위 값 등이 필요하다. 시간별 유입량 자료는 HEC-HMS 모형을이용하여 강우 빈도별로 산정 된 홍수량을 이용하였다. 저수지 수위별 방류량은 둑 높이기 사업 이후 수문이 설치되는 장성저수지를 제외한 왕동저수지, 유탕저수지, 수양저수지의 경우에 물넘이를 통한 월류량을 산정하여 수위별 방류량을 산정하였다.
- 지속시간별 확률강우량 산정은 국립방재연구원에서 제공하는 확률강우량 산정 모형인 FARD2006 (Frequency Analysis of Rainfall Data 2006) 프로그램을 이용하였다. FARD2006 프로그램은 모멘트법, 최우도법, 확률가중모멘트법에 따라 다양한 분포형의 추정이 가능하며 각각의 추정 방법에 따른 분포형의 다양한 적합도 검정 결과를 쉽게 확인 할 수 있고 사용이 편리하여 강우빈도해석 시 많이 이용되고 있다.
성능/효과
- 1. 홍수량을 산정하기 위해 유출곡선지수를 산정한 결과, CN (Ⅲ)는 장성저수지 유역이 78, 유탕저수지 유역은 66, 왕동저 수지 유역은 83, 수양저수지 유역은 85로 나타났으며, 황룡강 전체 유역의 CN (Ⅲ)는 82로 산정되었다.
- 2. 유출량을 산정한 결과, 200년 빈도 홍수량의 첨두유량은 장성저수지 유역이 981.8 m3/s, 수양저수지가 394.7 m3/s, 왕동 저수지는 72.3 m3/s, 유탕저수지는 108.1 m3/s로 나타났다.
- 3. 저수지 홍수추적 결과, 수양저수지는 첨두유량이 100년 빈도 홍수 유입시 사업 전에 비해 사업 후가 114.1 m3/s만큼 감소하였고, 200년 빈도 홍수 유입시 105.2 m3/s만큼 감소하였다. 장성저수지의 경우 100년 빈도 홍수 유입시 사업 후 유출이 발생하지 않았으며, 200년 빈도 홍수 유입시 첨두유량은 사업 전에 비해 사업 후 935.
- 4. 저수지 홍수추적 결과를 바탕으로 둑 높이기 전 · 후의 저수지군 첨두 방류량과 하천 구간 설계홍수량을 비교한 결과, 100년 빈도 홍수 유입시 종점홍수량을 기준으로 대략 41 %, 200년 빈도 홍수 유입시 종점홍수량을 기준으로 대략 53 %의 하류하천에 대한 홍수영향이 감소하는 것으로 나타났다.
- Table 3은 빈도 해석된 강우를 시간별 강우로 분포시키기 위해 필요한 Huff 계수이다. 광주 기상관측소와 정읍 기상관측소 모두 최적분위는 2분위로 나타났다.
- 둑 높이기 사업으로 인한 홍수시 저감 효과를 비교해보면 100년 빈도 홍수 유입시 하류하천 지점을 중간 기준으로 45.2 %, 하류하천 종점을 기준으로 40.6 % 정도 감소하였고, 200년 빈도 홍수 유입시 하류하천 중간 지점을 기준으로 58.7 %, 하류 하천 종점을 기준으로 52.7 %만큼의 홍수 영향이 감소하는 것으로 나타났다. 둑 높이기 사업에 따른 홍수영향 감소는 둑 높이기 사업 대상 개별 저수지의 저수 용량이 증가하였고 특히 황룡강 유역 내 둑 높이기 저수지 중에서 규모가 제일 큰 장성저수지의 경우, 사업 후 수문 설치에 따른 사전 방류 등으로 인해 첨두유량이 감소하였기 때문이다.
- 2 m3/s로 나타났다. 이를 황룡강 하천 구간 계획홍수량과 비교하였을 경우 둑 높이기 사업 전은 저수지군 방류량으로 인해 하류 하천의 중간 지점 57.9 %, 하류 하천의 종점 51.2 %의 영향을 미치는 것으로 나타났으나, 둑 높이기 사업 후는 각각 11.8 %, 10.6 %의 영향을 미치는 것으로 나타났다. 200년 빈도의 홍수량이 유입하였을 경우, 저수지군 최대 방류량은 사업 전이 1282.
- 7 m3/s로 나타났다. 이를 황룡강 하천 구간 계획홍수량과 비교하였을 경우 둑 높이기 사업 전은 저수지군 방류량으로 인해 하류 하천의 중간 지점 기준 72.5 %, 하류 하천의 종점 기준 65.1 %의 영향을 미치는 것으로 나타났으나, 둑 높이기 사업후 중간 지점 기준 13.8 %, 종점 기준 12.4 %의 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 9～12는 왕동저수지와 수양저수지에 대한 100년 빈도 및 200년 빈도의 설계 홍수 유입시 저수지 운영에 의한 홍수추적 결과를 나타낸 것이며, Table 8은 저수지 홍수 추적 결과 유입량 및 둑 높이기 사업 전 · 후 첨두유량과 첨두유량 발생시간을 나타낸 것이다. 저수지 홍수추적 결과 수양저수지의 경우, 첨두 유량이 100년 빈도 홍수 유입시 사업 전에 비해 사업 후 114.1 m3/s 감소하였고, 200년 빈도 홍수 유입시 사업 전에 비해 사업후 105.2 m3/s 감소하였으며, 첨두유량 발생시간은 두 경우 모두 사업 전에 비해 사업 후 1시간 늦게 나타났다. 장성저수지의 경우 100년 빈도 홍수 유입시 사업 후 유출이 발생하지 않았으며, 200년 빈도 홍수 유입시 첨두유량이 935.
- 5～8은 저수지 상류 유역에 대한 유출량을 산정한 결과를 보여주고 있다. 지속시간별로 홍수량 값을 산정한 후 첨두 홍수량이 가장 큰 값이 나타내는 지속시간을 임계지속 시간으로 정하였으며, 산정된 임계지속시간은 장성저수지 유역및 수양저수지 유역은 9시간, 왕동저수지 유역은 4시간, 유탕저수지 유역은 6시간인 것으로 나타났다. 200년 빈도 홍수량의 첨두 홍수량은 장성저수지 유역이 981.
후속연구
- 농업용 저수지는 대부분 농업용수 확보에 중점을 두고 설치되었으며, 홍수 방어 개념의 치수 기능에 대한 평가는 상대적으로 부족한 실정이다. 따라서 둑 높이기에 의한 저류량 증가에 따른 홍수 저감 효과와 물넘이 월류량의 변동에 따른 하류하천의 치수 구조물에 대한 영향검토가 필요하다. 또한, 기존 농업용 저수지의 증고에 따른 하류 하천의 수리/수문 특성과 연계하여 추가 저수량에 대한 방류 시기와 유량에 대한 컴토가 필요하며 이에 따른 하류 이수/치수 수리 구조물의 이설 및 보강 등의 영향 검토와 더불어 홍수영향 발생시의 대안 수립 방안이 이루어져야 한다.
- 따라서 둑 높이기에 의한 저류량 증가에 따른 홍수 저감 효과와 물넘이 월류량의 변동에 따른 하류하천의 치수 구조물에 대한 영향검토가 필요하다. 또한, 기존 농업용 저수지의 증고에 따른 하류 하천의 수리/수문 특성과 연계하여 추가 저수량에 대한 방류 시기와 유량에 대한 컴토가 필요하며 이에 따른 하류 이수/치수 수리 구조물의 이설 및 보강 등의 영향 검토와 더불어 홍수영향 발생시의 대안 수립 방안이 이루어져야 한다.
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